全天候太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)裝置的研究

鄭 鋒 王煒靈 陳健強(qiáng) 陳澤群 張曉薇

（華南理工大學(xué)，廣東 廣州510641）

0 引言

太陽(yáng)能是當(dāng)今最受關(guān)注的一種能源， 全球正面臨著能源危機(jī)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展中對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，所以新能源的開發(fā)和利用成為熱點(diǎn)。 太陽(yáng)不僅提供地球生物基本的生活物質(zhì)，其光能還能轉(zhuǎn)化為電能被利用。 太陽(yáng)能是真正意義上的取之不盡用之不竭的資源，可以供人類長(zhǎng)時(shí)間使用。 太陽(yáng)能綠色，安全，可持續(xù)利用，在未來得到前所未有的發(fā)展。

1 全天候太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)

1.1 全天候太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 概述

整個(gè)裝置的硬件設(shè)計(jì)主要包括太陽(yáng)方位檢測(cè)模塊、 光強(qiáng)檢測(cè)模塊、風(fēng)速檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)。

1.1.2 檢測(cè)部分

圖1

檢測(cè)模塊主要是通過固定在太陽(yáng)能電池板上，且與板面平行的太陽(yáng)方位檢測(cè)傳感器和光強(qiáng)檢測(cè)傳感器來分別檢測(cè)太陽(yáng)方位變化和光強(qiáng)變化，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)跟蹤裝置進(jìn)行太陽(yáng)跟蹤。 檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)主要基于光電效應(yīng)。當(dāng)光線照在太陽(yáng)能板上，光電傳感器在電路中的電氣量（電流、電阻）會(huì)發(fā)生變化，本文中采用的是光敏電阻，因此發(fā)生變化的電氣量是光敏電阻的阻值。光敏電阻的阻值會(huì)隨著光照強(qiáng)度的增加而減小，如果兩個(gè)光敏電阻串聯(lián)在同一個(gè)回路，當(dāng)兩個(gè)光敏電阻接受光照不同時(shí)，兩個(gè)光敏電阻連線中點(diǎn)的電壓就會(huì)不同，即把太陽(yáng)方位的狀態(tài)量轉(zhuǎn)換為變化的電壓的電氣量。

方位檢測(cè)部分通過四個(gè)光敏電阻組成橋式電路， 并采用一塊2.5V 硅片作為陰晴白夜檢測(cè)， 同時(shí)巧妙地將硅片作為光敏電阻的遮擋元件。當(dāng)檢測(cè)模塊對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)，單片機(jī)兩個(gè)引腳P1.1 和P1.2 采集到的電壓為2.5V，當(dāng)未對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)，電壓為1-4V（如圖1）。

1.1.3 風(fēng)力保護(hù)部分

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，現(xiàn)場(chǎng)自然環(huán)境隨時(shí)可能發(fā)生變化，強(qiáng)風(fēng)來襲的情況下，若不采取及時(shí)的保護(hù)措施，很有可能造成機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞，對(duì)系統(tǒng)造成難以挽回的損傷。 因此系統(tǒng)設(shè)置了強(qiáng)風(fēng)保護(hù)模式，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)際環(huán)境的風(fēng)速，當(dāng)檢測(cè)到強(qiáng)風(fēng)來襲時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切入風(fēng)力保護(hù)模式，將太陽(yáng)能電池板放平，從而減小風(fēng)對(duì)太陽(yáng)能電池板的作用力，保護(hù)太陽(yáng)能電池板不受破壞，提高發(fā)電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

當(dāng)風(fēng)力級(jí)數(shù)大于8 級(jí)（風(fēng)速17.2～20.7m/s），三杯式風(fēng)速傳感儀所輸出的電流信號(hào)在13.5mA 以上時(shí)，控制器判定當(dāng)前風(fēng)速有可能損壞平臺(tái)，立即將太陽(yáng)能電池板放平。 風(fēng)力檢測(cè)電路中使用了三杯式風(fēng)速傳感器來檢測(cè)風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)速杯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，風(fēng)速傳感器會(huì)輸出與風(fēng)速成正比的電流信號(hào)，將4-20mA 電流信號(hào)轉(zhuǎn)成0-5V 電壓信號(hào)后輸入到單片機(jī)的AD 通道中， 通過判斷電壓信號(hào)的大小來判斷風(fēng)力大小。 當(dāng)風(fēng)力達(dá)到8 級(jí)（可通過程序設(shè)定）時(shí)，單片機(jī)通過AD 轉(zhuǎn)換后得到的電壓判斷出此時(shí)應(yīng)該切入強(qiáng)風(fēng)保護(hù)模式。

1.2 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 系統(tǒng)的工作過程

高精度太陽(yáng)能跟蹤控制器采用光電跟蹤和視日軌跡跟蹤兩種模式來綜合實(shí)現(xiàn)。 視日軌跡跟蹤方式在陰天時(shí)根據(jù)天體運(yùn)行規(guī)律，實(shí)時(shí)計(jì)算出太陽(yáng)的位置，使跟蹤器定位到一定的范圍。 光電跟蹤則在晴天實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)軌跡，提高太陽(yáng)能的利用率。 視日軌跡跟蹤可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 由于外界自然環(huán)境復(fù)雜多變，天空中飛起的樹葉或生活垃圾，以及云層的運(yùn)動(dòng)都會(huì)對(duì)傳感器檢測(cè)造成干擾，使跟蹤器產(chǎn)生很大的跟蹤誤差。所以采用這種高精度太陽(yáng)能跟蹤控制器可以提高跟蹤的精度和抗干擾能力。

系統(tǒng)首先初始化，對(duì)寄存器和變量的初始化。 當(dāng)風(fēng)力保護(hù)檢測(cè)到風(fēng)力大于6 級(jí)，啟動(dòng)風(fēng)力保護(hù)裝置，使太陽(yáng)能裝置放平，以減少風(fēng)阻保護(hù)裝置。 當(dāng)風(fēng)力正常則進(jìn)行下一步（圖2）。

1.2.2 視日軌跡跟蹤系統(tǒng)

通過單片機(jī)時(shí)鐘模塊讀取當(dāng)前時(shí)間，然后由所在地的經(jīng)度，緯度，通過天體運(yùn)行公式計(jì)算當(dāng)前的太陽(yáng)高度角和方位角。把太陽(yáng)的高度角和方位角轉(zhuǎn)換成直流電機(jī)所要轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)和方向，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 若電機(jī)轉(zhuǎn)到計(jì)算的位置，則根據(jù)由硅光電池傳感器通過信號(hào)處理電路采樣得來的信號(hào)，來判斷電機(jī)是否轉(zhuǎn)到的精確定位位置。 然后依次判讀電機(jī)是否對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)的高度角和太陽(yáng)方位角。

圖2

對(duì)于視日軌跡跟蹤,一般采取間歇跟蹤方式。 首先，根據(jù)跟蹤裝置所在地的經(jīng)度、緯度、當(dāng)前日期、時(shí)間等參數(shù),由太陽(yáng)運(yùn)行軌跡算法即可計(jì)算出太陽(yáng)日出、日落時(shí)間,以及從日出至日落某些時(shí)刻太陽(yáng)的方位角與高度角;其次,獲得跟蹤裝置在某時(shí)刻的方位角和高度角;然后,分別比較太陽(yáng)方位角、高度角與跟蹤裝置方位角、高度角，獲得方位角偏差和高度角偏差,當(dāng)方位角偏差大于許用方位角偏差時(shí),控制方位角跟蹤機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)使得方位角偏差為零或在一定誤差范圍內(nèi),同理,當(dāng)高度角偏差大于許用高度角偏差時(shí),控制高度角跟蹤機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)使得高度角角偏差為零或在一定誤差范圍內(nèi)。

1.3 太陽(yáng)能自動(dòng)控制裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)

如圖所示為太陽(yáng)能跟蹤裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)總體外觀圖。主要由四部分構(gòu)成:底座支架、水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、豎直旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、太陽(yáng)能電池板支撐機(jī)構(gòu)。

水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)、電機(jī)固定箱、軸承和中間立軸組成。水平軸電機(jī)通過減速齒輪可以帶動(dòng)中間立軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)太陽(yáng)能電池板平臺(tái)水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 直流電機(jī)輸出軸通過1:100 減速齒輪與中間立軸相連。豎直旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)、同步帶輪、轉(zhuǎn)軸、軸承座、太陽(yáng)能電池板支架等組成。豎直機(jī)構(gòu)通過傳動(dòng)帶輪實(shí)現(xiàn)電池板在豎直平面內(nèi)的傾角調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)豎直方向90 度旋轉(zhuǎn)。

圖3

2 結(jié)論

全天候太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置中， 檢測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)相互配合，檢測(cè)系統(tǒng)把光線移動(dòng)的信息及時(shí)傳送給控制系統(tǒng)，達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤的目的，裝置經(jīng)過了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀況的觀測(cè)，反應(yīng)靈敏，效果良好，設(shè)計(jì)有效地提高了裝置的工作效率。